吳崗賈景超巴瀟劉雨童張雪茹

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011；2.河南省朝陽建筑設計有限公司，河南 鄭州 450011)

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的粘性土，由于其吸水失水會反復膨脹變形，強度變化明顯。這些常使建筑物產(chǎn)生各種各樣的危害，如造成房屋變形、開裂，甚至破壞，因此對于膨脹土的研究尤其重要。于琳茗運用晶格擴張理論，分析了膨脹力是如何形成的，并且研究新型的膨脹力試驗儀，對不同膨脹土進行對比研究。張銳等通過研究設計試驗裝置，建立了側(cè)向膨脹力擬合公式。郭紅軍利用實驗，觀察膨脹變形試驗中的荷載與膨脹力之間的聯(lián)系，得到極限膨脹力與允許變形量之間的關系式。劉洪伏等對強膨脹土進行試驗，探討了不同因素和對膨脹力的影響。

大多數(shù)學者對膨脹土膨脹力的研究多側(cè)重于土樣豎向膨脹產(chǎn)生的變形，對于平面狀態(tài)下的土樣研究較少。近年來，有的學者利用改進后的儀器探索側(cè)向膨脹力與上覆荷載的關系，利用三向膨脹儀或者薄壁固結(jié)儀分析豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力的相互影響以及溫度和改性溶液等對膨脹力的作用。然而，在真實情況的應力狀態(tài)下評估膨脹土的膨脹性能十分重要，故本文利用自制的二維膨脹儀，對平面狀態(tài)下的二維膨脹力進行了一系列研究，并認真分析討論，研究得到了二維膨脹力隨時間的變化規(guī)律，探討了初始含水率對膨脹力的影響以及豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力的關系，明晰了脹限的變化規(guī)律。

1 試驗準備

1.1 試驗裝置

本試驗采用自行設計的膨脹土二維膨脹儀(發(fā)明專利號：ZL201510322064.8)，主要由壓力室、加荷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)3部分組成，儀器實物如圖1所示。

圖1 膨脹土二維膨脹儀

壓力室呈長方體構(gòu)造，前后分別設置夾板，上下分別設置頂板和底板，左右兩端開口。其中頂板設置有進水口，可通過閥門控制進水速率以加濕土塊。豎向剛性傳壓板通過傳力桿與第1應力傳感器和第1位移傳感器相連，側(cè)向剛性傳壓板通過傳力桿與第2應力傳感器和第2位移感器相連。豎向剛性傳壓板可沿壓力室豎直滑動，可通過調(diào)節(jié)豎向加壓桿上的螺母控制其豎向位移，從而限制土樣豎向變形。側(cè)向剛性傳壓板可沿壓力室水平滑動，為了限制土樣的水平位移，可把銷釘插入臺面上的固定孔。

加荷系統(tǒng)由垂直加荷和橫向加荷2部分組成。豎直加荷系統(tǒng)由杠桿與加載機構(gòu)組成，在該體系中，通過杠桿機構(gòu)與垂直加壓桿將托盤上的砝碼產(chǎn)生的壓力作用在頂板上，并最終作用在土樣上。橫向加荷系統(tǒng)包括滑動構(gòu)件和加載機構(gòu)，滑動構(gòu)件位于試驗臺上，通過繩索和試驗臺下的托盤連接，在托盤上放置不同重量的砝碼，砝碼的重力作用在對側(cè)加壓板上并化為壓力最后作用在土樣上。

數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)將壓力傳感器和位移傳感器得到的膨脹力和變形信息傳送到計算機，通過相應的“二維膨脹機”軟件進行記錄，并以Excel文件形式輸出。

1.2 土樣制備

嚴格按照《土工試驗規(guī)程》(SL 237-1999)進行不同含水率土樣的制備。將膨潤土放置在105℃的密封烘箱內(nèi)烘干24h，待土樣完全冷卻后按照一定的含水率進行配土，配土完畢，將土樣放在保濕缸里24h。制樣器如圖2所示，從上到下依次為2個壓樣塊、底座和套筒。套筒內(nèi)部空間為20mm×100mm×100mm。制樣過程：在套筒底部放置1個壓樣塊，稱取一定重量的膨脹土放于套筒內(nèi)；將另一個壓樣塊放在套筒頂部并放于千斤頂上壓實，待土樣被壓實后，取下套筒上下的壓樣塊，利用底座將土樣取出。

圖2 制樣器

1.3 試驗方案

利用膨脹土二維膨脹儀進行試驗。采用恒體積法對樣品進行膨脹試驗，試樣選取不同含水率和干密度的膨脹土。在進行測試之前，先在前、后2塊板上涂上一層凡士林，盡可能地減少摩擦力對后續(xù)試驗的影響。然后安放土樣，將前玻璃板固定，擰緊螺母，以保證土樣在試驗期間的體積不發(fā)生變化。在加載倉內(nèi)放好土樣，調(diào)節(jié)兩側(cè)以及豎向加壓板的位置，調(diào)節(jié)壓力傳感器并歸零，并記錄試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗得到不同初始干密度的膨脹土的二維膨脹力，明確了初始干密度對二維膨脹力的影響，同時得到了平面應變條件下豎向膨脹力與橫向膨脹力的關系以及初始干密度對脹限的作用。

2.1 二維膨脹力隨時間的變化規(guī)律

在初始干密度不同的條件下，得出豎向及側(cè)向膨脹力與時間的關系曲線，如圖3、圖4所示。由圖3可以看出，豎向膨脹力與時間基本成線性關系，隨時間的增加逐漸增大，最終穩(wěn)定不變，前期膨脹速率較快，且該階段膨脹力增加量在整個過程中占比較大，因此膨脹土前期的變化更應該成為工程關注的重點；豎向膨脹力增長變慢，最終趨于穩(wěn)定。由圖4可以看出，側(cè)向膨脹力與豎向變化規(guī)律基本相同，都是與時間基本呈正相關，最終穩(wěn)定保持不變。

膨脹力時程曲線大體可分為3個不同的階段，分別為快速膨脹階段、過渡階段和穩(wěn)定膨脹?？焖倥蛎涬A段發(fā)生在0～4h，在此階段膨脹力迅速增長，增長量也為整個膨脹力的70%。過渡階段，增長速度有了明顯的下降，達到穩(wěn)定膨脹階段。試驗初期膨脹土表面接觸到大量水分子，膨脹土所含有大量親水性礦物使得其迅速吸水發(fā)生膨脹變形，但土體被限制了變形，膨脹勢能只能向膨脹力轉(zhuǎn)化，所以膨脹力增速迅猛。當土樣外側(cè)土體達到基本飽和的狀態(tài)后，進入過渡階段，水分向內(nèi)部滲透的速率小，導致膨脹力增長的速度放緩；土體飽和，試樣趨于穩(wěn)定狀態(tài)，膨脹力和膨脹勢基本維持不變。

由圖3、圖4可以看出，在初始含水率不變的條件下，2個方向的膨脹力均隨著干密度的增而增大；當初始含水率一定時，達到變形穩(wěn)定所需要的時間長短受干密度影響，干密度越大，需要時間越長。

圖3 豎向膨脹力-時間曲線

圖4 側(cè)向膨脹力-時間曲線

2.2 干密度對二維膨脹力的影響

在初始含水率一定的條件下，干密度對膨脹力的影響如圖5所示。不難看出，膨脹力與干密度呈正相關，隨干密度增大而增大。豎向膨脹力前期變化相對平穩(wěn)，直至某一個點后，而后急劇加速，側(cè)向膨脹力相對豎向膨脹力變化速度更平穩(wěn)，基本按一個速率進行。由圖5可以看出，干密度對膨脹力的影響較大，豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力變化規(guī)律基本相同。根據(jù)晶格擴張膨脹理論，土體內(nèi)部孔隙的大小與干密度的大小有關，干密度越大，土體內(nèi)部孔隙的體積越小。當膨脹土吸水膨脹時，水分子進入膨脹土中的孔隙，從而產(chǎn)生膨脹力，孔隙體積越小，受到的約束越大，膨脹力變化越大，因此膨脹力與干密度有著密切的關系，兩者呈正相關。

圖5 不同初始干密度下膨脹土膨脹力-干密度曲線

2.3 豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力關系

在制樣的過程中，由于加壓塊給套筒內(nèi)的土樣增加了豎向壓力，導致豎直方向土粒之間的孔隙更小，土體結(jié)構(gòu)更為密實。與傳統(tǒng)的固結(jié)儀和三維膨脹儀的單向成型方法相比，本試驗中的壓模方向垂直于橫向膨脹力和豎向膨脹力，壓實時兩個方向的壓力大致相等，豎向和側(cè)向的空隙比壓密方向大，而且不會引起試樣在豎向和橫向上的異性。所以，制樣時產(chǎn)生的誤差對二維膨脹力的對比影響不大。

從圖6可知，豎向膨脹力和側(cè)向膨脹力變化趨勢大體相同，大多數(shù)情況下豎向膨脹力的數(shù)值高于側(cè)向膨脹力，且在數(shù)值上相差較多，相較于側(cè)向膨脹力，豎向膨脹力趨于穩(wěn)定的速度更快。

圖6 豎側(cè)向膨脹力曲線

由于土顆粒在壓實過程中受到的壓力大體一致，且豎向與側(cè)向的孔隙基本相同。因此，在試驗初期，2個方向上的殘余膨脹潛能應該基本一致，土樣的自重對膨脹力的影響也不容忽視。土體質(zhì)量較大，土體受自身重力的影響導致內(nèi)部應力增大，部分豎向膨脹力會被土體顆粒之間的外力抵消，所以會有一定程度的降低。一部分豎向膨脹潛勢被抑制后，在顆粒間產(chǎn)生“楔”的作用力，并通過土體顆粒向外傳送，致使橫向膨脹力變大。豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力大小相近，膨脹土的各向異性特性減弱。

2.4 脹限的變化規(guī)律

2.4.1 初始含水率及干密度對脹限的影響

通過試驗結(jié)果分析，繪制關系圖如圖7所示，由圖7可以看出，相同干密度下，初始含水率對脹限幾乎不產(chǎn)生影響，圖像呈直線形狀；相同含水率，脹限隨干密度的不同數(shù)值差距較大。

圖7 脹限-干密度-初始含水率曲線

在膨脹土內(nèi)部，水分子可以充填的孔隙體積是有限的。干密度越大，孔隙體積越小，當土體吸水膨脹時，吸水量會減少，從而使脹限降低。在干密度不變的情況下，試樣吸水穩(wěn)定時土體內(nèi)部孔隙被水分子充滿，故初始含水率對脹限也不造成影響。

2.4.2 膨脹力與脹限之間的關系

膨脹力試驗中，試樣的脹限與土體的干密度有關，與初始含水率的大小無關。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，匯出脹限與膨脹力的關系曲線，由圖8可以看出，豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力隨脹限的變化規(guī)律大致相同，呈負相關，脹限越大，膨脹力越小。

圖8 膨脹力-脹限曲線

3 小結(jié)

本文利用自制的二維膨脹儀，對平面狀態(tài)下的二維膨脹力進行了一系列研究，得到以下結(jié)論：干密度是影響膨脹力的主要因素，隨著干密度變化，豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力的整體變化趨勢一致,表現(xiàn)為增大，變化明顯；豎向膨脹力與橫向膨脹力隨時間的變化曲線大體一致，都表現(xiàn)為先增長后穩(wěn)定，大多數(shù)情況下豎向膨脹力的數(shù)值高于側(cè)向膨脹力，且在數(shù)值上相差較多，相較于側(cè)向膨脹力，豎向膨脹力趨于穩(wěn)定的速度更快；膨脹力試驗中，試樣的脹限由干密度的大小決定，兩者呈負相關，與試樣的初始含水率無關。